CN102720550A - 双机回热抽汽蒸汽热力系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双机回热抽汽蒸汽热力系统，该系统中主汽轮机高压缸的中间级设有高压抽汽口，高压抽汽口通过高压抽汽管路分别与小汽轮机的进汽口、数个高压加热器中进汽参数最高的一个高压加热器连接，小汽轮机的中间级设有数个回热抽汽口，数个回热抽汽口通过回热抽汽管路分别与除进汽参数最高高压加热器之外的其余高压加热器连接，小汽轮机的排汽口与除氧器通过小汽轮机排汽管路连接。该系统可省却高温前置蒸汽冷却器，并使锅炉给水温度降低，有利于提高锅炉效率，降低机组的热耗；可有效降低流动损失，提高流通效率；降低设备成本。

Description

双机回热抽汽蒸汽热力系统

技术领域

本发明涉及汽轮机领域，特别是涉及一种采用小汽轮机进行抽汽回热的热力系统。

背景技术

电力是人类社会最基本、最清洁，也是最方便的能源，出于目前地球一次能源的状况，电力工业在相当长的时期内，以燃煤发电为主的格局不会改变。燃煤发电产生清洁能源电力的同时也产生大量的污染和CO₂排放，按我国2011年燃煤发电量计算的CO₂排放量已超过30亿吨。为了保护环境、节约资源，如何提高汽轮机的效率以成为业内越来越重视的问题。

为了提高汽轮机的效率，目前汽轮机普遍采用回热循环技术，即从汽轮机中间级抽出一部分已做了一定量功的蒸汽对锅炉给水加热，回热循环单元一般包括高压加热器和低压加热器两部分，锅炉给水通过低压加热器、高压加热器进行热量交换，从而使锅炉给水温度升高。采用这种回热循环技术可减少汽轮机进入冷凝器的蒸汽量，降低汽轮机的冷源损失，提高锅炉的给水温度，从而使蒸汽的热量得到充分利用，这样就可提高汽轮机的效率。

为了提高汽轮机效率，降低电厂用电率，目前许多电厂的大型设备由原来的电动机驱动改为了小汽轮机驱动，这样可取消大容量的电动机，从而可达到大幅降低厂用电的目的。该“小汽轮机”也即相对于主汽轮机而言的辅助汽轮机。中国专利申请文件“发电厂小汽轮机系统及其含该系统的发电厂热力循环系统”（中国专利申请号CN200910052230.1）公开了一种用于将排汽热量回收至发电厂热力循环系统中的回热式小汽轮机。该小汽轮机采用背压式，除了驱动锅炉风机、水泵等设备以外，小汽轮机的排汽还进入某个回热系统以便对小汽轮机的排汽热量进行回收利用，该回热单元可以选择除氧器、低压加热器或者高压加热器。然而该及时小汽轮机的蒸汽全部由其排汽端直接进入回热系统，方案单一，小汽轮机的流量受制于除氧器的需求，有时流量太小则不能满足驱动耗功的要求，不具备提高循环效率以及降低高压加热器系统温度的功能，小汽轮机按驱动设备功率配置时，负荷变化时，热力系统无相应的背压控制功能，会影响小汽轮机的安全性，进而有可能会对电厂运行的稳定可靠造成不利的影响。

对现有单独采用主汽轮机抽汽的回热系统，其高压加热器回热抽汽来自再热后高能级的蒸汽，能级损失大。为了减少能级损失，在现有热力系统优化中，有一项利用过热度，降低热耗新的技术：通过在顶端高压加热器的给水出口到锅炉进口之间，增加配置1个或者2个前置蒸汽冷却器，使高压加热器回热抽汽在进入高压加热器前先通过相应的前置蒸汽冷却器，降低抽汽的过热度，并将给水温度提高5℃～15℃（给水温度最高可达到330℃的水平），取得降低热耗0.4%～0.6%的效果。该项技术得益的代价一是在热力系统中要增加2个高温蒸汽冷却器；另一个代价是提高给水温度对锅炉性能的优化起负面作用。

再有，为实现更高的节能减排目标，必须进一步提高汽轮机的蒸汽参数，下一个高参数等级的材料是镍基合金，已公布的欧洲AD700，以及日本的AUSC计划均在开展转子、阀门、汽缸等高温部件镍基材料及铸锻件制造工艺的研究。考虑到镍基材料的巨大成本差异，必须采取更有效地提高性价比的技术，使产品获得足够竞争力的性价比。为此，镍基合金材料高超超临界汽轮发电机组开发的3个基本要求是：①机组的蒸汽参数起步参数应尽量高，必须大于700℃，以获得8-10%的热耗得益；②同时在整个电厂的各个环节尽可能采取一切可行的提高效率，降低设备和系统成本的先进技术；③必须最大可能地消除高温带来的可靠性风险。

对于高超超临界汽轮发电机组的回热循环而言，由于高压缸内蒸汽温度较高，如果直接从高压缸中间级进行抽汽，则对高压加热器等辅助设备材料的要求也会相应较高，这样就会使整套设备的成本增加。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种双机回热抽汽蒸汽热力系统，用于解决现有技术中设备运行不稳定、设备生产成本高等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种双机回热抽汽蒸汽热力系统，包括主汽轮机、小汽轮机及回热循环单元，所述回热循环单元包括数个高压加热器、数个低压加热器及除氧器，所述主汽轮机上设有低压抽汽口，所述低压加热器通过低压抽汽管路与所述低压抽汽口连接，所述小汽轮机内设有转子，所述转子与系统辅助设备连接，所述主汽轮机高压缸的中间级设有高压抽汽口，所述高压抽汽口通过高压抽汽管路分别与所述小汽轮机的进汽口、数个高压加热器中进汽参数最高的一个高压加热器连接，所述小汽轮机的中间级设有数个回热抽汽口，所述数个回热抽汽口通过回热抽汽管路分别与除进汽参数最高高压加热器之外的其余高压加热器连接，所述小汽轮机的排汽口与所述除氧器通过小汽轮机排汽管路连接。

优选地，所述主汽轮机上还设有一除氧器供热抽汽口，所述除氧器供热抽汽口与所述除氧器通过主汽轮机抽汽管路连接。

优选地，所述小汽轮机的排汽口通过旁通管与低压加热器连接，所述旁通管上设有排汽调节阀，所述主汽轮机抽汽管路上设有第一抽汽调节阀。

优选地，所述系统辅助设备为水泵或锅炉引风机。

优选地，所述系统辅助设备还包括一发电机，所述小汽轮机的转子通过3S联轴器与所述发电机连接。

优选地，所述高压抽汽口与所述小汽轮机进汽口连接的高压抽汽管路上设有第二抽汽调节阀。

如上所述，本发明的双机回热抽汽蒸汽热力系统具有以下有益效果：该系统中除一个高压加热器的抽汽来自高压缸外，其余高压加热器的抽汽均来自小汽轮机的抽汽，这样可省却高温前置蒸汽冷却器，并使锅炉给水温度降低，有利于提高锅炉效率，降低机组的热耗；主汽轮机高压缸上抽汽口较少，高压缸流通部分为无回热抽汽干扰的光滑通道，可有效降低流动损失，提高流通效率；再有对于700℃高超超临界汽轮机而言，由于该系统中大部分高压加热器的抽汽是由小汽轮机提供的，蒸汽温度相对较低，因此作为压力容器的高压加热器与高温蒸汽接触的壳体、管板及管束均不必采用价格昂贵的奥氏体或者镍基合金，成本下降幅度可达到2/3～3/4。

附图说明

图1为本发明实施例的系统示意图。

元件标号说明

1             主汽轮机

2             小汽轮机

4             水泵

5             发电机

6             锅炉

7             除氧器

31            1#高压加热器

32            2#高压加热器

33            3#高压加热器

34            4#高压加热器

36            6#低压加热器

37            7#低压加热器

38            8#低压加热器

39                    9#低压加热器

40                    10#低压加热器

V1                    第二抽汽调节阀

V2                    排汽调节阀

V3                    第一抽汽调节阀

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，所以图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1所示，本发明提供一种双机回热抽汽蒸汽热力系统，该包括主汽轮机1、小汽轮机2及回热循环单元，小汽轮机2为背压式汽轮机。回热循环单元包括四个高压加热器、五个低压加热器及除氧器7，四个高压加热器分别为1#高压加热器31、2#高压加热器32、3#高压加热器33、4#高压加热器34，五个低压加热器分别为6#低压加热器36、7#低压加热器37、8#低压加热器38、9#低压加热器39、10#低压加热器40。沿主汽轮机蒸汽流动方向，相应加热器的进汽压力参数逐渐降低，在进入锅炉6的给水首先从右向左依次经过各低压加热器进行热交换，然后再通过除氧器进行除氧，接着再从右向左依次经过各高压加热器进行热交换，最后流入到锅炉6内。主汽轮机的低压区设有低压抽汽口，低压加热器通过低压抽汽管路与低压抽汽口连接，低压蒸汽通过低压抽汽管路进入到低压加热器内。

主汽轮机1的高压缸中间级设有一高压抽汽口，高压抽汽口通过高压抽汽管路分别与1#高压加热器31及小汽轮机2的进汽口连接，1#高压加热器31为四个高压加热器中进汽参数（进汽温度、进汽压力）最高的一个，高压抽汽口与小汽轮机2的进汽口连接的高压抽汽管路上设有第二抽汽调节阀V1。小汽轮机2的中间级设有三个回热抽汽口，三个回热抽汽口通过回热抽汽管路分别与2#高压加热器、3#高压加热器、4#高压加热器连接，每个回热抽汽管道上均设有抽汽调节阀和抽汽逆止阀。小汽轮机2的排汽口与除氧器7通过小汽轮机排汽管路连接，主汽轮机1上还设有一除氧器供热抽汽口，除氧器供热抽汽口与除氧器通过主汽轮机抽汽管路连接，主汽轮机抽汽管路上设有第一抽汽调节阀V3，小汽轮机2的排汽口还通过一旁通管与低压加热器连接，旁通管上设有排汽调节阀V2。

小汽轮机2内设有转子，蒸汽流过小汽轮机2时会驱动转子旋转，转子与系统辅助设备连接，可为系统辅助设备提供动力。系统辅助设备主要为给锅炉6供给水的水泵4，也可为锅炉引风机。当小汽轮机2的进汽流量增加，小汽轮机2的出力超过给水泵4耗功要求时，可通过一个3S联轴器同轴连接一发电机5，这样可使小汽轮机多余的功率用于发电。

该双机回热抽汽蒸汽热力系统中，小汽轮机2上回热抽汽口的个数可根据功率、容量的需要进行调节，一般为2-3个，高压加热器、低压加热器的个数也可根据需要进行调节，其个数一般为3到5个。

小汽轮机2进汽量的出力应与水泵功率平衡，以及小汽轮机的进汽量还应与回热抽汽量、排汽流量之和满足回热系统的热平衡要求。在机组运行时，小汽轮机2的三级回热抽汽量由相应的高压加热器进行调节，高压加热器抽汽量变化不直接参与小汽轮机的调节，而是通过改变小汽轮机2的出力影响其转子的转速，再随着水泵或小汽轮机负荷的变化，控制系统按水泵转速信号控制第二抽汽调节阀V1的开度，进而控制小汽轮机的进汽量。

小汽轮机2的排汽进入除氧器7，小汽轮机2的背压就是除氧器7的压力。在运行过程中，当除氧器7的压力小于主汽轮机1上除氧器供热抽汽口的抽汽压力时，第一抽汽调节阀V3打开、排汽调节阀V2关闭，主汽轮机1向除氧器7提供回热抽汽；当除氧器7的压力大于主汽轮机1上除氧器供热抽汽口的抽汽压力时，第一抽汽调节阀V3阀关闭，当除氧器7的压力超过主汽轮机1上除氧器供热抽汽口的抽汽压力一定值（一般为0.05MPa～0.2MPa）时，排汽调节阀V2打开，部分小汽轮机2的排汽通过旁通管流入到低压加热器或凝汽器中。需要说明的是，本发明小汽轮机因承担抽汽，因此在背压为控制信号的流量平衡过程中，背压变化对小汽轮机出力的影响非常小。计算表明，即使背压变化0.2MPa，仅影响小汽轮机出力约2%，因而本发明的流量平衡不会影响小汽轮机功率平衡过程的稳定性。

在该双机回热抽汽蒸汽热力系统中，小汽轮机2的进汽口与主汽轮机1的高压缸中间级排汽连接，小汽轮机2的进汽参数等于主汽轮机1的高压排汽参数。相对35MPa、700℃的高超超临界汽轮机，本发明系统的小汽轮机2进汽压力一般不超过12MPa，温度不超过540℃。小汽轮机2的排汽与除氧器7相连，小汽轮机2的背压等于除氧器7的压力。该小汽轮机2具有的中间级回热抽汽口分别与#1高压加热器31之外的其他高压加热器相连，提供相应的回热抽汽。在小汽轮机2与高压加热器的抽汽管道上设有抽汽调节阀和抽汽逆止阀，自动调整高压加热器所需的抽汽量，按高压加热器要求调节小汽轮机2的中间抽汽量。小汽轮机2按水泵4的转速信号控制小汽轮机调节阀的开度和进汽流量。

本系统采用从小汽轮机2进行抽汽的方式可大幅度下降高压加热器的工作温度，这样不仅可大幅度降低高压加热器高温材料的成本，而且完全化解超高温高压加热器的安全可靠性风险。小汽轮机机及各个高压加热器的回热抽汽利用的是低能级的蒸汽，因此可在简化热力系统配置的情况下，降低机组的热耗，而且不必再增置高温前置蒸汽冷却器就可使给水温度满足锅炉性能优化要求。在本系统中的主汽轮机不承担#2至#4高压加热器的回热抽汽，再热中压缸及中压排汽无回热抽汽，这样就消除了通流部分中间抽汽造成的流动损失，有利于提高主汽轮机的通流效率和简化再热中压缸的结构，缩短轴向尺寸。

本系统还可大幅度降低主汽轮机再热中压缸以及锅炉再热器的设计容量和成本。由于主汽轮机1的高压缸中间级抽汽除提供给水顶端#1高压加热器的回热用汽外，还提供小汽轮机2的流量，该流量等于除#1高压加热器外的其他高压加热器及除氧器7所需回热抽汽量的总和，因此整个高压缸排汽的抽汽量相当于主汽轮机1进口流量的25%左右，与现有回热系统相比，再热蒸汽流量减少15%-20%，大幅度降低锅炉再热器的成本。

该系统采用背压式小汽轮机，与凝汽式小汽轮机相比其蒸汽焓降小，仅为常规凝汽式小汽轮机的50%左右，虽然蒸汽质量流量大3倍左右，但因进汽压力高，其进口段的容积流量比常规凝汽式小汽轮机反而下降3/4，其进口段尺寸小。此外，由于中间抽汽使小汽轮机2的排汽端通流量极小，且没有低压叶片级，整个通流部分尺寸变化小，结构紧凑。小汽轮机2的通流部分可采用刚性高的转毂结构，配以小直径，通流面积变化小的反动式叶片级，加上无低压湿蒸汽流动，排汽损失极小的特点，使该小汽轮机2具有明显高的通流效率。此外背压式小汽轮机省去了相关的凝汽系统，整个系统及设备成本大幅度下降。背压式小汽轮机由于无高应力的低压长叶片，其可靠性明显高于凝汽式小汽轮机，更适合于采取100%容量给水泵的配置方式，简化启动和备用的电泵，降低整个给水系统的设备成本和运行成本。

综上所述，采用本发明系统的有益效果主要体现在以下三个方面：提高效率降低热耗；有效地降低汽轮机、锅炉和辅助设备的成本；提高给水系统的可靠性，化解现有技术700℃回热系统中超高温高压加热器存在的可靠性风险。

下面根据具体参数对本发明有益效果做进一步说明：

小汽轮机和1#高压加热器的抽汽，与现有技术来自再热后的蒸汽不同，而是来非再热的低能级蒸汽，这样可省却2个高温前置蒸汽冷却器，并使供锅炉给水温度低10℃～15℃，有利提高锅炉效率的条件下，机组的热耗可下降0.4%～0.6%。发明对应的主汽轮机1的高中压缸通流部分为无回热抽汽干扰的光滑通道，降低了流动损失，提高通流效率；小汽轮机2采用背压式汽轮机，其通流部分无低压湿蒸汽，无大的低压排汽损失，进排汽均为小容积流量，通流部分可采用小直径、流动折转角小、效率更高的反动式叶片级，与现有技术的凝汽式相比，小汽轮机的效率高5%以上，机组可另有约0.2%的热耗得益。

本发明以抽汽式小汽轮机承担2#至4#高压加热器的抽汽，使高压加热器的工作温度由超高温的600℃～650℃等级降低为小于400℃的低温等级，降低幅度达到200℃～400℃，为整个高压加热器系统带来经济性和安全可靠性的双重得益。首先，作为压力容器的高压加热器，与高温蒸汽接触的壳体、管板及管束均不必采用价格昂贵的奥氏体或者镍基合金，成本下降幅度可达到2/3～3/4。其次，低温、小温差铁素体管束取代高温、大温差奥氏体或者镍基合金管束，消除了现有技术，700℃高超超临界汽轮机高压加热器系统面临的运行可靠性风险。

采用本热力系统后，锅炉给水系统与现有技术相比设备可靠性会相应提高，系统配置也更加简化，不仅可大幅度降低设备的成本，还可大大降低运行和维护成本，提高运行的可靠性。本发明系统可实现小汽轮机功率和流量的自动平衡功能，变工况运行控制可靠性好，为此本发明的给水系统更适合于采用100%容量的单泵，简化给水系统的设备配置，不仅大幅度降低给水系统的投资，而且可简化启动程序，缩短启动时间，降低给水系统的运行和维护成本。本发明与现有技术相比，相同容量下主汽轮机的再热中压缸以及锅炉再热流量减少15%～20%，缓解了二次再热中压模块容量设计限制，大幅度降低锅炉的成本。

与现有技术相比，本发明在经济性得益，降低系统设备成本，以及提高可靠性，降低风险三个方面的积极效果可归纳如下表1、2、3。

表1.本发明的经济性得益汇总

表2.本发明提高可靠性的效果汇总

表3.本发明简化系统降低成本的效果汇总

本发明提供小汽轮机有两种出力模式：

1）小汽轮机仅驱动水泵

此时，无需配置3S联轴器和发电机，小汽轮机仅与水泵相连，小汽轮机功率仅与水泵耗功平衡。下表4列出一台35MPa，700℃/720℃/720℃二次再热660MW汽轮机所采用的双机抽汽回热循环抽汽背压式汽轮机通流部分叶片级的主要设计数据的示例。该小汽轮机额定工况的进汽参数为压力9.77MPa，焓3355kJ/kg,小汽轮机背压，即除氧器的压力为0.867MPa。

表4.仅驱动水泵时小汽轮机各叶片级组的通流参数示例

上述通流参数表明，该小汽轮机通流部分各叶片段的蒸汽质量流量变化很大，排汽流量仅为进口的1/7左右，但各叶片级的容积流量却变化很小，整个通流部分叶片级近似是一个等通道形式。由于排汽段叶片级的流量非常小，仅为进口的1/7，因此相对主汽轮机和水泵的变工况，该排汽段叶片级的流量相对变化幅度更大，必须采取必要的保护措施，例如末段最小压比、排汽温度的报警及跳机、增设小汽轮机末段抽汽调节控制回路等，避免末段叶片级在工况变化时进入极端小容积流量的鼓风发热状况。

2）小汽轮机同时驱动水泵和由一个3S联轴器连接的小发电机

此时，需配置3S联轴器、小发电机及相应的变频装置。此时，小汽轮机功率与水泵耗功以及小发电机功率之和平衡，控制仍依据给水泵的转速信号。下表5列出一台同时驱动水泵和小发电机的小汽轮机通流部分叶片级的主要设计数据示例。主汽轮机仍然为35MPa，700℃/720℃/720℃二次再热660MW汽轮机。小汽轮机额定工况的进汽参数为压力9.77MPa，焓3355kJ/kg,小汽轮机背压,即除氧器的压力为0.867MPa。小汽轮机2驱动的小发电机出力为5000kW。

表5.同时驱动给水泵和小发电机时小汽轮机各叶片级组的通流参数示例

与小汽轮机仅仅驱动给水泵的方案相比，通流部分的基本特征相似，通流部分各叶片段的蒸汽质量流量变化幅度有所减小，排汽流量与进口流量之比由仅驱动给水泵方案的1/7增加到1/4左右，排汽段叶片级的流量增加近1倍；各叶片级的容积流量变化仍然很小，整个通流部分叶片级仍近似是一个等通道形式。

该方式的主要特点是：1）附加发电能力改善了通流能力偏小的状况，有利于提高小汽轮机的通流效率；2）附加发电能力增加了小汽轮机驱动给水泵的超负荷能力；3）附加发电能力又提高了小汽轮机适应给水泵低负荷的能力，使小汽轮机排汽端叶片级更远离零功率的小容积流量工况，消除小汽轮机可能进入鼓风发热区的风险。

综上所述，可省却高温前置蒸汽冷却器，并使锅炉给水温度降低，有利于提高锅炉效率，降低机组的热耗；主汽轮机高压缸上抽汽口较少，高压缸流通部分为无回热抽汽干扰的光滑通道，可有效降低流动损失，提高流通效率；再有对于700℃高超超临界汽轮机而言，由于该系统中大部分高压加热器的抽汽是由小汽轮机提供的，蒸汽温度相对较低，因此作为压力容器的高压加热器与高温蒸汽接触的壳体、管板及管束均不必采用价格昂贵的奥氏体或者镍基合金，成本下降幅度可达到2/3～3/4。所以本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.一种双机回热抽汽蒸汽热力系统，包括主汽轮机、小汽轮机及回热循环单元，所述回热循环单元包括数个高压加热器、数个低压加热器及除氧器，所述主汽轮机上设有低压抽汽口，所述低压加热器通过低压抽汽管路与所述低压抽汽口连接，所述小汽轮机内设有转子，所述转子与系统辅助设备连接，其特征在于：所述主汽轮机高压缸的中间级设有高压抽汽口，所述高压抽汽口通过高压抽汽管路分别与所述小汽轮机的进汽口、数个高压加热器中进汽参数最高的一个高压加热器连接，所述小汽轮机的中间级设有数个回热抽汽口，所述数个回热抽汽口通过回热抽汽管路分别与除进汽参数最高高压加热器之外的其余高压加热器连接，所述小汽轮机的排汽口与所述除氧器通过小汽轮机排汽管路连接。

2.根据权利要求1所述的双机回热抽汽蒸汽热力系统，其特征在于：所述主汽轮机上还设有一除氧器供热抽汽口，所述除氧器供热抽汽口与所述除氧器通过主汽轮机抽汽管路连接。

3.根据权利要求2所述的双机回热抽汽蒸汽热力系统，其特征在于：所述小汽轮机的排汽口通过旁通管与低压加热器连接，所述旁通管上设有排汽调节阀，所述主汽轮机抽汽管路上设有第一抽汽调节阀。

4.根据权利要求1所述的双机回热抽汽蒸汽热力系统，其特征在于：所述系统辅助设备为水泵或锅炉引风机。

5.根据权利要求4所述的双机回热抽汽蒸汽热力系统，其特征在于：所述系统辅助设备还包括一发电机，所述小汽轮机的转子通过3S联轴器与所述发电机连接。

6.根据权利要求1所述的双机回热抽汽蒸汽热力系统，其特征在于：所述高压抽汽口与所述小汽轮机进汽口连接的高压抽汽管路上设有第二抽汽调节阀。

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